Die dünnen Schichten in Verbundfolien erschweren das Prüfen der Qualität oder die Suche nach Ursachen von Produktionsfehlern. Dementsprechend sind mikroskopische Analysen meist unumgänglich. Dabei differenziert die konventionelle optische Mikroskopie die Schichten, ohne jedoch das jeweilige Material zu identifizieren. Die Fourier-Transformation-Infrarot (FT-IR)-Mikroskopie hingegen unterscheidet Materialien in Verbundfolien und bestimmt wie sie verteilt sind. Zudem erkennt und definiert sie Füllstoffpartikel oder Defekte in der Polymermatrix.

Das Prinzip der FT-IR-Mikroskopie

Verbundfolien IR-spektroskopisch kontrollieren

Das IR-Spektrum einer Probe gibt dessen chemische Zusammensetzung wie einen Fingerabdruck wieder. Blau: PA 6.12, Rot: PP, Grün: High density (HD)-PE, Pink: Kalziumkarbonat. (Bildquelle: alle Bruker Optik)

Die FT-IR-Spektroskopie ist ein Analyseverfahren zur Qualitätskontrolle. Das gemessene IR-Spektrum einer Probe gibt dabei dessen chemische Zusammensetzung wie einen Fingerabdruck wieder. Beim Messen bestimmen organische und anorganische Komponenten das Probenspektrum. Deshalb eignet sich die Identifikation mittels IR-Verfahren für Reinstoffe und komplexe Materialien. Darüber hinaus lassen sich einzelne Komponenten des Analysematerials quantifizieren. Eine Routine-Anwendung ist beispielsweise das Prüfen der Identität und Qualität von Rohstoffen im Wareneingang.

Durch die IR-Mikroskopie ist zudem die Analyse von Proben bis in den niedrigen Mikrometerbereich möglich, beispielsweise bei Fasern und Partikeln. Außerdem lassen sich ausgewählte Probenbereiche messen, um dünne Schichten oder Einschlüsse zu identifizieren. Durch Rastermessungen können ferner chemische Bilder der Probe erzeugt werden, die die Verteilung einzelner Probenkomponenten sowie die in den Fehlstellen vorhandenen Materialien zeigen.

Messgeräte und Methodik für die IR-Analyse

Bruker Optik, Ettlingen, bietet mit dem FT-IR-Mikroskop Lumos ein Instrument zur Analyse von Verbundfolien mit einer Ortsauflösung von 2 bis 5 µm. Um die mikroskopischen IR-Untersuchungen zu vereinfachen führt das Gerät den Anwender durch die Prüfschritte. Für die Mehrzahl an Fragestellungen und Proben ist die abgeschwächte Total Reflexion (ATR) die gängige Messmethode. Dieses Verfahren ist aufgrund der geringen oder teils ganz entfallenden Probenpräparation eine komfortable und schnelle Messmethode. Da sie zudem keine Verbrauchsmaterialien oder Reagenzien benötigt, spart sie Kosten.

Verbundfolien IR-spektroskopisch kontrollieren

ATR-Objektiv des IR-Mikroskops. Das infrarote Licht wird durch den ATR-Kristall des Mikroskops geleitet. Die Aufnahme des IR-Spektrums beginnt beim Kontakt der Probe mit dem ATR-Kristall. (Bildquelle: Bruker Optik)

Um ein IR-Spektrum aufzunehmen, bringt ein motorisierter Tisch die Probe zum ATR-Kristall. Ein im Mechanismus angebrachter Sensor stellt den Kontakt fest und misst. Dies gilt für einzelne Probenpositionen sowie bei Rastermessungen für chemische Bilder. Bei der Analyse des Aufbaus von Folienquerschnitten kam meist die Transmissionstechnik zum Einsatz. Diese Methode liefert belastbare Ergebnisse, erfordert jedoch einen hohen zeitlichen und apparativen Aufwand bei der Probenpräparation: Vor den Messen müssen mit einem Schneidgerät, beispielsweise einem Mikrotom, Dünnschnitte der Probe von weniger als 10 μm Dicke angefertigt werden. Das Vermessen mit dem ATR-Verfahren hingegen ist ohne hohen präparativen Aufwand möglich. Es ist nur eine glatte Schnittfläche des Folienquerschnitts nötig, wie er beispielsweise mittels eines Probenhalters und einer scharfen Klinge angefertigt werden kann

Identifizieren einzelner Schichten in einer Verbundfolie

Verbundfolien IR-spektroskopisch kontrollieren

Linie von IR-Messungen über dem mikroskopischen Bild des Querschnitts einer Verbundfolie. Die gemessenen Spektren wurden entsprechend ihrer ähnlichen Spektren in farblich gekennzeichnete Gruppen unterteilt.

Verbundfolien IR-spektroskopisch kontrollieren

Repräsentative Spektren in den Farben der jeweiligen Gruppe.

Um den einwandfreien Aufbau einer Folie zu kontrollieren oder ein Konkurrenzprodukt zu untersuchen, kann das Gerät die Materialien der einzelnen Schichten bei mehrlagigen Verbundfolien identifizieren. In einem Beispiel befestigten zwei Klemmbacken eines Halters für die Mikroskopie die Probe. Eine unterlegte PVC-Scheibe zwischen der Backe und der Folie diente als Puffer. Eine Mikrotom-Klinge fertigt anschließend einen planen Folien-Querschnitt an.

Um diesen Querschnitt zu analysieren, legte das Messgerät eine Linie von 50 Datenpunkten. Die Schneidenblende des FT-IR-Mikroskops setzte dabei die Größe der Messpunkte auf 8 mal 30 μm. Das Ausrichten der Blende und das anschließende Messen erfolgten automatisch, wobei die benötigte Zeit pro Spektrum 20 Sekunden betrug. Eine Clusteranalyse gruppierte die erfassten Spektren im Anschluss nach ähnlichen Mustern. Im mikroskopischen Bild des Folienquerschnitts sind die Messpunkte dargestellt, die je nach Gruppenzugehörigkeit mit unterschiedlichen Farben gekennzeichnet sind. Die Datenpunkte der umgebenden PVC-Scheiben sind dabei weiß markiert. So ergaben sich innerhalb der Verbundfolie vier Lagen, von denen zwei aus dem gleichen Material  bestehen. Ein Vergleich der gemessenen Probenspektren mit einer Spektrenbibliothek identifizierte anschließend die Folienmaterialien. Die Analyse zeigt, dass die Mehrschichtfolie aus Polyester, Polyethylen, PA6 und einer weiteren Schicht Polyethylen besteht.

Schadensanalyse einer Verpackungsfolie

Eine weitere Funktion des Messinstruments in das Untersuchen von Beeinträchtigungen, da Verbundfolien Fehlstellen oder defekte Stellen aufweisen können, die zu Produktionsmängeln führen. Zur Schadensanalyse wird eine transparente Verpackungsfolie mit einem mangelhaften Bereich untersucht. Dabei wurde die Folie zur IR-mikroskopischen Analyse flach auf dem Mikroskoptisch fixiert. Auf der Fehlstelle und auf der intakten Folie sind Messpositionen definiert, um sie anschließend mittels ATR zu vermessen. Ein Vergleich des Messergebnisses mit der Spektrenbibliothek identifizierte das Folienmaterial als Copolymer Polyvinylidenchlorid-Acrylat.

Die auf dem schadhaften Bereich der Folie gemessenen Spektren zeigen außer den übereinstimmenden Signaturen des Folienmaterials auch zusätzliche Banden. Die Software Opus von Bruker Optik bestimmt mit der Spektrensuche Komponenten, die zu diesen Mischungsspektren beitragen. Zudem können sich Anwender weitere Informationen zu den gefundenen Komponenten anzeigen lassen, beispielsweise CAS-Nummern und Summenformeln. Wenn das Ergebnis der Suche nicht alle Banden des Anfragespektrums erklärt, ist außerdem eine Subtraktion des Bibliotheksspektrums möglich, um damit die verbleibende Differenz zu suchen. So ergibt das Ergebnis im Zentrum der Fehlstelle, dass es sich bei der zusätzlichen Komponente um Polyamidharz handelt.

Die Mischungsanalyse in der Software Opus findet die passende Kombination von Bibliotheksspektren, um mit der Anfrage möglichst übereinzustimmen. Für das zweite Ergebnis auf der Defektstelle, bestimmt die Mischungsanalyse Polyethylen als weitere Komponente neben dem eigentlichen Folienmaterial. Das Messergebnis zeigt, dass die vom Folienmaterial abweichenden Komponenten die Fehlstelle bedingen. Anhand dieser Information lässt sich nun die mögliche Ursache, beispielsweise eine verunreinigte Produktionsanlage oder der Einsatz falscher Rohstoffe gezielt suchen. Zudem können Anwender eigene Bibliotheken erstellen. Hierfür lassen sich vorhandene Infotabellen aus externen Programmen kopieren und einfügen.

 

Über den Autor

Martin Luft

ist Applikationsleiter im Bereich kompakter Systeme und Mikroskopie bei der Bruker Optik in Ettlingen.